БИОТЕХНОЛОГИЯ

В середине 70-х годов возникла новая экспериментальная технология - генетическая (или генная) инженерия, которая основана на конструировании рекомбинантной ДНК вне клетки (in vitro) и ее размножении в клетках микроорганизмов. В результате использования этой технологии стало возможным выделять индивидуальные гены, модифицировать, соединять друг с другом, получая “слитые гены”, продуцирующие белки с совершенно новыми свойствами (белковая инженерия).

Типичная схема получения и размножения (амплификации) индивидуального фрагмента ДНК (гена) приведена на рис. 2. В качестве векторов, т. е. молекул-носителей, в которых происходит размножение генов, используют плазмиды, бактериофаги и вирусы, способные размножаться в бактериальных клетках. После соединения (лигирования) вектора с фрагментом ДНК, несущим ген, образуется рекомбинантная ДНК. Затем вектор с геном вводят в клетки микроорганизмов (трансформация), где они амплифицируются. В результате получается множество копий одного гена - клон. Поэтому такой способ получения индивидуального гена называют клонированием.

Если для клонирования использовать ДНК человека, содержащую все его гены, они окажутся в разных клонах будет получена генная библиотека (клонотека) человека. Гены животных, человека и растений, клонируемые таким путем в бактериях (как правило, используют Е. coli), не функционируют в них. Для этого их нужно выделить из бактерии, снабдить регулятором бактериального гена и вновь ввести в бактерию. Получены и используются многие штаммы бактерий, в которых функционируют гены разного происхождения, производящие нужные продукты.

Этот арсенал новых, генно-инженерных, штаммов-продуцентов позволил наряду с продуктами природных штаммов (их называют биопродуктами первого поколения) начать производство на базе генно-инженерных штаммов рекомбинантные белки - биопродукцию второго поколения. Биопродукцией третьего поколения будут искусственно синтезированные соединения, полностью имитирующие биологические функции природных белков, но не являющиеся ими.

Генно-инженерные методы (технология рекомбинантных ДНК) все шире используют в биотехнологическом производстве прежде всего ценных для медицины белков, в том числе таких, которые трудно синтезировать химическими методами пли получить в нужных количествах из биологического материала. Это в первую очередь белки и пептиды (белковые молекулы, состоящие из небольшого числа аминокислот), которые синтезируются в организме человека и используются как медикаменты. Усилия генных инженеров направлены на создание бактерий-продуцентов, которые бы с высокой эффективностью производили такие биологически активные продукты. Основные трудности здесь заключаются не столько в конструировании продуцентов, сколько в том, чтобы синтезирующиеся в них чужеродные белки нормально формировались, модифицировались и не разрушались в клетках микроорганизмов.

Ученые полагают, что дальнейший прогресс человечества не только будет во многом зависеть от развития биотехнологии, но просто не сможет без нее обойтись, ибо иначе не удастся прокормить все растущее население Земли. Рассказывается о том, как на основе методов биотехнологии организуют производство медицинских препаратов, некоторых продуктов питания и кормов для животных.

При раскопках Вавилона была обнаружена дощечка, относящаяся к VI тысячелетию до н. э., на которой описан процесс приготовления пива. Это, вероятно, одно из древнейших письменных упоминаний о целенаправленном применении человеком в практике естественного биологического процесса. С древних времен известно использование и других биотехнологических процессов в различных сферах практической деятельности человека: в виноделии, хлебопечении, сбраживании молочных продуктов и т. д. Однако научный анализ биохимических механизмов, лежащих в основе этих биотехнологических процессов, был проведен лишь в XIX в. Луи Пастером.

Термин “биотехнология” впервые использовал венгр Карл Эреки в 1919 г. для обозначения работ, в которых продукты получают с помощью живых организмов. В Биологическом энциклопедическом словаре, изданном в 1986 г., биотехнологией называют использование живых организмов и биологических процессов в производстве. Европейская федерация биотехнологии (EFB) определяет современную биотехнологию как использование наук о природе (биологии, химии, физики) и инженерных наук (например, электроники) применительно к биосистемам в биоиндустрии, а Европейская комиссия (ЕС) дополняет - для того, чтобы снабдить биологическое сообщество требуемыми продуктами и услугами. Будучи древней сферой производства, биотехнология сегодня представляет собой ультрасовременный этап научно-технического прогресса.

На начальном этапе биотехнология опиралась главным образом на достижения микробиологов и энзимологов, а в последние 10 - 15 лет она получила мощный импульс к развитию со стороны наиболее интенсивно развивающихся областей биологии: вирусологии, молекулярной и клеточной биологии, молекулярной генетики.

В результате этой сложной, но успешно проведенной работы был получен новый сорт помидоров с улучшенными свойствами, а именно - способностью более продолжительное время не размягчаться при хранении. Заметим, что на получение нового сорта традиционными методами требуется 10 и более лет, в этом случае сорт был получен всего за один сезон. Понятно, почему зарубежные фирмы (например, “Монсанта”) финансируют многомиллиардные научные исследования в области генной инженерии. В этой фирме разрабатывают методы переноса из бактерий в растения генов, кодирующих токсины, убивающие насекомых.

Токсический белок, продуцируемый микробом Bacillus Ihmingiensis, убивает личинок насекомых питающихся листьями. Этот токсин выделен в кристаллическом виде. Один из способов его использования - распыление на поверхность растения. Однако более экономичен и удобен перенос гена токсина в растения. В 1987 г. ген токсина, изолированный из бактерий успешно перенесли в геном табака. Его экспрессия привела к тому, что личинки насекомого Manduca secta погибал при скармливании листьев трансгенного растения

Аналогичные работы проводят с хлопчатником для придания ему устойчивости к гусеницам. Получены растения, содержащие тот же ген токсина. Кроме того, создан инсектицидоустойчивый трансгенный хлопчатник. В геном обычного хлопчатника введен ген ингибитора трипсина коровьего гороха, продукт которого подавляет активность протеаз в пищеварительной системе насекомых. Известны многие токсины, продуцируемые микроорганизмами и эффективно убивающие разные виды насекомых. Сейчас исследуют гены этих токсинов с целью создания, например, трансгенного картофеля, устойчивого к колорадскому жуку.

На начальном этапе своего развития биотехнология в основном пользовалась живыми системами в том виде, в каком они существовали в природе. Следующий шаг - использование традиционных методов селекции (искусственного отбора) микроорганизмов, растений и животных, получение более продуктивных штаммов, линий. В последние 10 - 15 лет целенаправленнее улучшение свойств живых систем как объектов биотехнологии резко ускорилось и расширилось после того, как с середины 70-х до середины 80-х гг. были разработаны методы генной инженерии. Сначала это были методы рекомбинирования и конструирования очищенных из клеток генов. На следующем этапе были усовершенствованы методы переноса генов в микроорганизмы, а в конце 70-х годов отработаны подходы к переносу генов в культивируемые клетки животных.

В 1980 - 1982 гг. появились методы переноса генов в целые (многоклеточные) животные организмы и почти одновременно - методы переноса генов в растительные клетки и в целые растения. Микроорганизмы, а также клетки, растущие вне организма, после переноса в них новых генов называют генетически трансформированными клетками. Трансформированными можно называть и многоклеточные организмы - животные, растения, но чаще их обозначают как трансгенные животные и растения. Генетический материал переносят в клетки и организмы с помощью разных методов. В микроорганизмы гены вводят в составе кольцевых молекул.

Особые приемы используют для переноса генов в целые животные организмы. Один из них заключается в том, что очищенные гены впрыскивают в только что оплодотворившиеся яйцеклетки (зиготы) с помощью шприца и микропипетки, кончик которой (с внутренним диаметром ~1 мкм) вводят непосредственно в ядро. Ген можно перенести в эмбрион и с помощью вирусов. Существует 2 подхода переноса генов в растения. Первый состоит в том, что гены вводят в изолированные клетки, лишенные полисахаридных стенок (такие клетки называют протопластами). Затем из этих клеток получают целые растения. При другом подходе используют ДНК (Ti-плазмиду) микроорганизма Agrobacterium tumefaciens, способного заражать растительные клетки и переносить в них часть Ti-плазмиды вместе с любой содержащейся в ней чужой ДНК. Переносимый ген предварительно вводят в эту часть Ti-плазмиды. Напомним, что плазмиды - кольцевые молекулы ДНК, присутствующие в клетках вне хромосом.

Естественно, что в небольшой по объему заметке невозможно рассказать в полной мере обо всех аспектах современной биотехнологии. Поэтому наша цель - ознакомить интересующихся лишь с основными, наиболее перспективными направлениями биотехнологических работ.